Вероятностный анализ прочности и колебаний строительных конструкций зданий АЭС при ударе самолета тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Архипов, Сергей Борисович

• Архипов, Сергей Борисович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Архипов, Сергей Борисович

Введение.• •■■•

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.;.

1.1. Критерии необходимости учета падения самолета в проекте АЭС.

1.2. Нагрузка на строительные конструкции при ударе самолета.

1.3. Анализ прочности строительных конструкций при ударе самолета.

1.4. Колебания сооружений и нагрузка на оборудование при ударе самолета.

1.5. Вероятностные методы оценки прочности и колебаний конструкций при ударе самолета.

1.6. Постановка задачи исследования.:.

Глава 2. Исходные данные для вероятностного анализа прочности и колебаний строительных конструкций зданий АЭС.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Вероятность падения самолета.

2.3. Тип самолета.

2.4. Скорость самолета в момент удара.

2.5. Масса самолета в момент удара.

2.6. Направление траектории в пространстве.

Глава 3. Вероятностный анализ прочности строительных конструкций.

3.1. Вероятность падения самолета в пределах заданного телесного угла.

3.2. Вероятность удара самолета в здание АЭС.

3.3. Вероятность отказа строительных конструкций АЭС с учетом вариации угла удара самолета.-.:.

3.4. Вероятность отказа строительной конструкции с учетом вариации угла удара, скорости и массы самолета.

3.5. Суммарная вероятность отказа конструкций здания.

3.6. Примеры расчета надежности строительных конструкций.

Глава 4. Вероятностный анализ вынужденных колебаний строительных конструкций зданий АЭС.

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Процедура построения ПС с требуемой обеспеченностью.

4.3. Выбор вероятности непревышения спектра.

4.4. Расчеты спектров отклика для АЭС "Бушер".

4.5. Примеры вероятностных расчетов и анализ ПС при ударе самолета.

4.6. Программа для вероятностной обработки спектров ответа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вероятностный анализ прочности и колебаний строительных конструкций зданий АЭС при ударе самолета»

Атомные станции являются объектами чрезвычайно высокой ответственности. Поэтому в процессе анализа их безопасности возникает необходимость учета широкого спектра нагрузок и воздействий, в том числе экстремальных динамических воздействий, характеризуемых малой вероятностью реализации и высокой интенсивностью. Особые динамические воздействия (ОДВ) на сооружения и оборудование атомных станций обычно подразделяются на следующие три основные группы:

1. Воздействия, связанные с эксплуатацией самой станции. Примером являются нагрузки на строительные конструкции и оборудование при внезапном разрыве главного циркуляционного трубопровода и истечении теплоносителя - максимальная проектная авария (МПА). Другой пример - аварийное падение тяжелого оборудования на перекрытие здания и т.п.

2. Воздействия, связанные с деятельностью человека за пределами атомной станции. Сюда относятся взрывные и сейсмовзрывные воздействия, источниками которых могут быть близко расположенные взрывоопасные предприятия, хранилища и транспорт жидкого и газообразного топлива. Следует считаться и с потенциальными авиакатастрофами, в результате которых на здания АЭС может упасть самолет или его обломки. В последнее время рассматривается также возможность падения на здания атомной станции потерявшей управление ракеты, космического корабля и т.п.

3. Воздействия, связанные со стихийными явлениями: землетрясениями, ураганами, наводнениями. Для сооружений, расположенных на берегах крупных водоемов (морей, озер, водохранилищ), учитывается также воздействие волн значительной амплитуды (ветровых, сейшевых, цунами), которые могут, в частности, привести к возникновению неблагоприятного гидравлического режима в системе технического водоснабжения атомной станции.

Учет в проекте атомной станции особых динамических воздействий существенно влияет на ее конструктивные решения и материалоемкость элементов. С другой стороны, не все эти элементы АЭС в равной степени важны с точки зрения обеспечения радиационной и ядерной безопасности. Поэтому, во избежание неоправданного удорожания станции, ее элементы в зависимости от ответственности подразделяют на группы, дифференцируя предъявляемые к ним требования. Так, согласно отечественным нормам [28] здания и сооружения атомных станций подразделяются на три категории безопасности:

К первой категории относятся здания, сооружения и конструкции, разрушение или повреждение которых может привести к выходу радиоактивных продуктов в количествах, приводящих к дозовым радиационным нагрузкам для персонала и населения сверх установленных значений при максимальной проектной аварии, или к отказу в работе систем безопасности, обеспечивающих поддержание активной зоны в подкритическом состоянии, аварийный отвод тепла от реактора, локализацию радиоактивных продуктов.

Ко второй категории относятся здания, сооружения и их элементы (не вошедшие в первую категорю), нарушение работы которых в отдельности или в совокупности с другими может привести к перерыву в выработке атомной станцией ее продукции и/или к дозовым радиационным нагрузкам сверх допустимых годовых, установленных действующими нормативными документами для нормальной эксплуатации.

К третьей категории относятся все остальные здания, сооружения, конструкции и их элементы, не вошедшие в первую или вторую категорию.

Конструкции зданий и сооружений первой категории рассчитываются с учетом следующих экстремальных природных воздействий с повторяемостью 1 раз в 10000 лет: максимальное расчетное землетрясение (МРЗ); ураганы и торнадо (смерчи); волны цунами; экстремальные ветровые, снеговые нагрузки и температура наружного воздуха. Помимо того, учитываются аварийные и вызываемые деятельностью человека воздействия: максимальная проектная авария (МПА), падение на атомную станцию самолета, воздушная ударная волна (ВУВ) при взрыве твердых веществ или газопаровоздушных смесей на территории станции или за ее пределами.

Конструкции второй категории рассчитываются на менее интенсивные нагрузки (например, на проектное землетрясение (ПЗ) с интервалом повторяемости 1 раз в 100 лет, которое обычно имеет интенсивность, не менее чем на 1 балл меньшую, чем МРЗ).

Сооружения и конструкции третьей категории проектируются, как обычные промышленные объекты.

Те же особые воздействия следует рассматривать согласно рекомендациям МАГАТЭ [32, 33, 65, 66]. Необходимость их учета в проекте оценивается на основе анализа расположения потенциальных источников опасности и/или частоты возможных опасных событий.

Очевидно, что для разных стран или различных районов одной и той же страны вероятность того, что станция может подвергнуться одному или ряду воздействий такого типа, различна. Однако во многих случаях приходится считаться с возможностью возникновения особых динамических нагрузок самого различного происхождения. При этом возникает комплекс весьма специфических проблем, связанных с решением разнообразных практических задач в условиях существенной неопределенности исходной информации и значительного разброса параметров возможных воздействий.

Примеры расчетов строительных конструкций атомных станций на экстремальные воздействия описаны в работах А. Н. Бирбраера, С. Л. Буторина, А. С. Дмитриева, А. П. Кириллова, А. Ю. Роледера, А. Е. Саргасяна, Б. В. Цейтлина, С. Г. Шульмана, Г.С. Шульмана, П. Варпасуо, Дж. Д. Риеры, Дж. Д. Стивенсона, В. Ф. Цорна, Дж. Ф. Шеллера, X. Шибаты и других авторов.

Разработанные за последние десятилетия методы расчета строительных конструкций АЭС на экстремальные воздействия нашли свое отражение в ряде отечественных и международных нормативных документов. При этом, несмотря на наличие ряда вероятностных элементов, связанных с выбором сочетаний нагрузок и воздействий и параметров экстремальных воздействий, анализ прочности, устойчивости и другие расчеты строительных конструкций атомных станций при особых воздействиях обычно выполняются детерминистическими методами.

Дальнейшее развитие методов оценки прочности и надежности строительных конструкций и оборудования АЭС при экстремальных воздействиях с использованием вероятностных методов нашло свое отражение в работах А. Н. Бирбраера, С. Л. Буторина,

A. Ю. Роледера, Дж. Д. Стивенсона, Б. В. Цейтлина, С. Г. Шульмана, Г. С. Шульмана и др.

Анализ прочности и надежности строительных конструкций и оборудования АЭС является одним из молодых и быстро развивающихся разделов теории надежности и представляет собой синтез теории надежности сложных систем и теории надежности конструкций.

Основы методов расчета надежности конструкций были заложены в работах М. Майера, Н. С. Стрелецкого, В. В. Болотина, К. А. Корнелла и др. и получили дальнейшее развитие в трудах Г. Аугусти, И. А. Биргера, Э. X. Ванмарке, А. П. Кудзиса, А. С. Проникова,

B. А. Светлицкого, А. П. Синицина и многих других авторов.

Многочисленные исследования надежности систем нашли свое отражение в трудах Ю. К. Беляева, Б. Дилона, В. В. Калашникова, К. Капура, А. А. Кузнецова, Э. Хенли и др.

Настоящая диссертация посвящена разработке методов вероятностного анализа прочности и колебаний строительных конструкций зданий АЭС при одном из самых тяжелых экстремальных воздействий - ударе терпящего бедствие самолета.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Архипов, Сергей Борисович

Основные результаты диссертационной работы:

1. Анализ безопасности АЭС при ударе самолета выполняется сегодня в предположении, что реализуется наиболее неблагоприятный вариант воздействия, вероятность которого крайне маловероятна. Получаемые при этом нагрузки на строительные конструкции и динамические нагрузки на оборудование АЭС очень велики.

2. В диссертации предложена методика вероятностного анализа прочности строительных конструкций АЭС при ударе самолета с учетом случайности его типа, скорости, массы и угла удара, позволяющая значительно снизить расчетную нагрузку на СК при выполнении условия обеспечения требуемой надежности АЭС.

3. Если при вероятностном анализе учитывается случайность только угла удара самолета, то при обычных размерах АЭС расчетная нагрузка может быть снижена на 40-50%. Дополнительный учет случайности скорости и массы самолета снижает нагрузку еще примерно вдвое.

4. Расчетная нагрузка зависит от размеров сооружения: чем оно меньше, тем меньше может быть принята нагрузка, обеспечивающая ту же надежность АЭС.

5. Обычно применяемые при ударе самолета максимальные поэтажные спектры отклика (ПС) рассчитываются в предположении о наиболее неблагоприятном варианте воздействия и расположения оборудования относительно места удара. Такие ПС не только могут значительно превышать 7- 8-балльные сейсмические, но и имеют пики на более высоких частотах, что создает сложности при проектировании оборудования АЭС.

6. В диссертации разработаны методика и вычислительная программа для вероятностного анализа колебаний зданий АЭС при ударе самолета и построения ПС с требуемой вероятностью непревышения. Учтены случайные параметры, названные в п.2, а также случайность расстояния от точки удара до места установки оборудования.

7. Расчеты реальных АЭС, выполненные по разработанной методике, показали, что значения ПС, т.е. расчетные нагрузки на оборудование, могут быть существенно снижены при обеспечении требуемой безопасности АЭС. ПС при ударе самолета оказались близки к ПС при 8- 7-балльном землетрясении или даже ниже их. Поскольку АЭС обязательно должна рассчитываться на землетрясение с интенсивностью не менее 7 баллов, это существенно облегчает или вовсе снимает проблему обеспечения работоспособности оборудования при ударе самолета.

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Архипов, Сергей Борисович, 2000 год

1. Вычислительный комплекс ДРАКОН. Версия 3.2. СПб АЭП. С-Петербург, 1992.

2. Вентцель Е. С. "Теория вероятностей". -М.: "Наука", 1969. 576 с.

3. Пугачев В. С. "Введение в теорию вероятностей". -М.: "Наука", 1968. 368 с.

4. Колемаев В. А., Староверов О. В., Турундаевский В. Б. "Теория вероятностей и математическая статистика". -М.: "Высшая школа", 1991. 400 с.

5. Иванова В. М., Калинина В. Н., НешумоваЛ. А. "Математическая статистика". М.: "Высшая школа", 1981. - 371 с.

6. Болотин В. В. "Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений".-М.: "Стройиздат", 1982.

7. Шпете Г. "Надежность несущих строительных конструкций". Перевод с немецкого О. О. Андреева. М.: "Стройиздат", 1994. - 288 с. Перевод издания "Die Sicherheit Tragender Baukonstruktionen" VEB Verlag für Bauwesen, Berlin, 1987 - ISBN 5-274-01208-6.

8. Бирбраер А. H., Шульман С. Г. "Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях". -М. : "Энергоатомиздат", 1989. 304 с.

9. Riera J. D. "On the stress analysis of structures subjected to aircraft impact forces". Nuclear Engineering and Design, 1968, V. 8, p. 415-426.

10. Zorn W. F., ShuëllerG. F. "On the Failure Probability of the Containment under Accidental Aircraft Impact". Nuclear Engineering and Design, 91 (1986). Pp 277-286.

11. Бирбраер A. H., Шульман С. Г. "Оценка надежности сооружений и оборудования АЭС при ударе падающего самолета". "Энергетическое строительство", 1985. - № 9, с. 4548.

12. Бирбраер А. Н., ЛюбивыйИ. А., Хомич С. А. "Обеспечение безопасности АЭС при ударе падающего самолета". Проектирование архитектурно-строительной части ТЭС и АЭС. -М.: "Энергоатомиздат", 1984. с. 27-38.

13. Kobayashi T. "Probability Analysis of an Aircraft Crash to a Nuclear Power Plant". Nuclear Engineering and Design, 110 (1988), pp. 207-211.17. "Aircraft Accident Digest". ICAO Circular. No 16.1.88-AN/74 -No 29.191-AN-l 16.

14. KrutzikN. J. "Reduction of the Dynamic Response by Aircraft Crash on Building Structures". Nuclear Engineering and Design, 110 (1988), pp. 191-199.

15. Шульман Г. С. "Вероятностный расчет защитных конструкций АЭС при авиакатастрофах на основе теории предельного равновесия". Журнал "Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева" том 227 С-Пб.: "Энергоатомиздат", С-Пб отделение, 1993.

16. Караковский M. В., Шульман Г. С. "О динамическом взаимодействии жестко пластического стержня с плоской конструкцией". Журнал "Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева" том 227 С-Пб.: "Энергоатомиздат", С-Пб отделение, 1993.

17. Шульман Г. С. "Об ударе летящего тела в сферическую приграду". Журнал "Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева" том 227 С-Пб.: "Энергоатомиздат", С-Пб отделение, 1993.

18. Bauer X, ScharpfF. SchwarzR. "Analysis of Reinforced Concrete Structures Subjected to Aircraft Impact Loading". Trans, of the 7th SMIRT, Chicago, USA, 1983. J. 39/4.

19. Chelapati С. V. et. al. "Probabilistic Assessment of Aircraft Hazard for Nuclear Structures". Nuclear Engineering and Design, V. 19 (1972).

20. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработка вероятностных методов расчета строительных конструкций и оборудования АЭС на удар самолета". "Атомэнергопроект", Ленинградское отделение, Арх. № 0.55.09.01.02 СБД, Ленинград, 1987. 63 с.

21. ПиН АЭ-5.6 "Нормы строительного проектирования АЭС с реакторами различного типа". Госатомэнергонадзор СССР. 1986.

22. ОПБ-82 "Общие положения обеспечения безопасности атомных станций при проектировании, сооружении и эксплуатации". Сборник нормативных материалов по безопасности АЭС. -М.: "Энергоатомиздат", 1984, с. 5-29.

23. СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия". ЦИТПГосстроя СССР М.: Госстрой СССР. 1987.

24. СНиПII-11-77*. "Защитные сооружения гражданской обороны". Госстрой СССР. М., ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

25. СНиП П-7-81*. "Строительство в сейсмических районах". Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1982.

26. Клаф Р., Пензиен Дж. "Динамика сооружений". -М.: "Стройиздат", 1979.

27. Клемин А. И. "Надежность ядерных энергетических установок. Основы расчета". М.: "Энергоатомиздат", 1987.

28. Клемин А. И. "Инженерные вероятностные расчеты при проектировании ядерных реакторов". -М.: "Атомиздат", 1973.

29. Пановко Я. Г. "Основы прикладной теории колебаний и удара". Л.: "Машиностроение", 1976.

30. Биргер И. А., Пановко Л. Г. "Прочность, устойчивость, колебания". Справочник в трех томах. -М.: "Машиностроение", 1968.

31. Болотин В. В. "Случайные колебания упругих систем". -М.: "Наука", 1979.

32. Райзер В. Д. "Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций". -М.: "Стройиздат", 1986.

33. Ржаницын А. Р. "Теория расчета строительных конструкций на надежность". М.: "Стройиздат", 1978.

34. ГаллагерР. "Метод конечных элементов. Основы". Пер. с англ. -М.: "Мир", 1984.

35. Карпенко Н. И. "Теория деформирования железобетона с трещинами". М., 1976.

36. Залесов А. С. и др. "Расчет железобетонных конструкций по прочности, трещиностойкости и деформациям". М., 1982.

37. Drittler К., Gruner P. "Calculation of the Total Force Acting Upon a Rigid Wall by Projectiles". Nuclear Engineering and Design, V. 37 (1976). Pp. 231-234.

38. ASCE standard. Seismic Analysis of Safety Related Nuclear Structures. Aproved September 1986.

39. Шульман Г. С. "К определению местной прочности строительных конструкций при ударах летящих тел". Строительная механика и расчет сооружений. Сборник научных трудов. Труды СПбГТУ № 456, С-Пб, 1996, с. 90-97.

40. Батэ К.-Ю., Вильсон Е. Л. "Численные методы анализа и метод конечных элементов". -М.: "Стройиздат", 1982.

41. Гвоздев А. А. "Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия". -М.: "Стройиздат", 1949.

42. Гольденблат И. И., НиколаенкоН. А. "Расчет конструкций на действие сейсмических и импульсивных сил". -М.: "Стройиздат", 1961.

43. Горбунов-Посадов М. И. "Расчет конструкций на упругом основании". М.: "Стройиздат", 1953.

44. Ржаницын А. Р. "Предельное равновесие пластин и оболочек". М.: "Наука", 1983.

45. Отчет по научно-исследовательской работе "Консультационные услуги по динамическому расчету реакторного отделения и здания бункера АЭС «Бушер»". С-Пб, " Ато мэнерго проект", 1996.

46. Попов Н. Н., Расторгуев Б. С. "Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений". -М.: "Стройиздат", 1980.83. "Справочник по теории упругости" (для инженеров строителей). Под. ред. П. М. Варвака и А. Ф. Рябова-Киев: "Будивельник", 1971.

47. BrandesK., LimbergerE., HerterJ. "Strain Rate Dependent Energy Absorbtion Capacity ofth

48. Reinforced Concrete Members Under Aircraft Impact". Trans. Of the 7 SMIRT. Chicago. 1983. J 9/5.

49. Nachtsheim W., Stangenberg F. "Selected Results of Meppen Slab Test State of Interpretation, Comparison With Computational Investigations". - Trans. Of the 7th SMIRT. Chicago. 1983. J 8/1*.

50. Kennedy R. P. "A Review of Procedures for the Analysis and Design of Concrete Structures to Resist Impact Effects". Nuclear Engineering and Design. 1976. V. 37. P. 183-203.

51. Sliter G. E. "Assessment of Empirial Concrete Impact Formulas". Proc. ASCE. 1980. V. 106. № ST5. P. 1023-1045.

52. Абрамович С. Ф., Крючков Ю. С. "Динамическая прочность судового оборудования" -JL: "Судостроение", 1967.

53. Бирбраер А. Н., Роледер А. Ю. "Нагрузки на строительные конструкции АЭС при наклонном ударе легкодеформируемого летящего тела". Журнал "Экспрессинформ", вып. 11. -М.: "Информэнерго", 1990.

54. NUREG-0800 "Standard Review Plan". U.S. Nuclear Regulatory Commission. Office Of Nuclear Reactor Regulation. Rev. 2 luly 1981.

55. Бирбраер A. H., Киндер В. А., Цейтлин Б. В. "Об оценке надежности оборудования АЭС при землетрясениях". Журнал "Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева" том 214 С-Пб.: "Энергоатомиздат", С-Пб отделение, 1989.

56. Н. Abbas, D. К. Paul, Р. N. Godbole, G. С. Nayak "Aircraft crash upon outer containment of nuclear power plant".-Nuclear Engineering and Design. 1996. V. 160. P. 13-50